阿尔茨海默病发病机制析评与治疗前瞻<br/>——兼论甲状腺素在脑脊髓创伤/卒中后遗症暨植物人的应用

阿尔茨海默病发病机制析评与治疗前瞻
——兼论甲状腺素在脑脊髓创伤/卒中后遗症暨植物人的应用

2021-01-08张海鹏王志湖唐富龙杜长生郭玉璞赵红珊幺德蕴

世界最新医学信息文摘 2021年32期

张海鹏，王志湖，唐富龙，杜长生，郭玉璞，赵红珊，幺德蕴

（1.涿鹿县医院脑脊髓外科ICU，河北张家口 075600；2.涿鹿县医院放射医学与应用物理研究所，河北张家口 75600；3.解放军总医院第三医学中心神经外科，北京 100039；4.中国医学科学院临床医学研究所神经内科学与神经病理学研究室，北京 100730；5.北京大学医学遗传学系/北大人类疾病基因研究中心，北京 100191；6.河北省沙城中学高三化学教研室，河北张家口 075600）

0 引言

阿尔茨海默病（Alzheimer Disease,AD）在老人中发病率高，85 岁以上的老人中几乎一半患有不同程度的AD[1,2]，且目前尚无逆转病程的有效手段[3]。兹分析AD的发病机制，探索其治疗及预防。

1 AD患者的海马受累为什么极早并最严重？——AD发病机制的“定位诊断”

1.1 海马对缺血缺氧、能量代谢障碍最敏感

AD临床表现为以记忆障碍为核心症状的认知功能障碍，磁共振研究已发现AD患者海马、内嗅皮质、杏仁核体积缩小。事实上，早在1990年代，就已经发现海马组织对缺血性损伤最为敏感, 尤其是CA1区锥体神经元[4]，大鼠海马区域缺血缺氧4小时后，CA1神经元细胞外自发放电频率和数目较造模前明显减少[5]；海马对再灌注损伤同样最敏感：2001年国内实验观察到, 大鼠全脑缺血6分钟即可导致海马CA1、CA2区锥体神经元明显的延迟性死亡[6]。这很可能是因为所有的有意识的神经活动均离不开海马主司的记、忆、学习功能，因此海马的氧需求量与代谢率很可能在全脑和全身最高。由此不难理解AD“优先”选择海马。

1.2 记忆相关的认知神经科学问题

经典的海马结构包括海马本体、齿状回、下托复合体和内嗅皮层四个部分[7]。对某一特定事件的记忆，不仅包括事件内容的记忆，而且还包括事件发生背景的记忆。通常有关事件内容的记忆称项目记忆（item memory）,有关事件背景的记忆称源记忆（source memory，属情景记忆的一种）[8]。早期海马萎缩病人项目记忆还正常时，源记忆就已经有障碍；内嗅区损害病人的项目记忆有明显障碍，而源记忆却相对正常[9]；双侧海马萎缩病人，源记忆的成绩非常差，但项目记忆却保持完好[10]。这些表明海马皮质参与源记忆的执行，内嗅区参与项目记忆的执行。而AD患者的该二脑区均有损伤，内嗅区、海马区、杏仁核受累最早，海马受累最重，额叶等新皮质受累最迟[11]；AD的记忆力严重障碍, 还与前额叶及内侧颞叶皮质区的代偿性的激活不足有关[12]。而在自传性记忆的保存和提取中，海马复合体作用同样重要[13];而AD患者的杏仁核受累，客观上支持杏仁核可能参与长时记忆[14]的观点。

NMDA（N-甲基-D-天门冬氨酸) 型谷氨酸受体和cAMP反应成分结合蛋白（CREB）被认为在长时记忆中起着关键作用，CREB,NMDA受体等能够调控与记忆有关的蛋白质的基因转录（早在1995年，我们提出其产物蛋白质的糖基化是其十分重要的分子环节[15]），影响触突的可塑性和LTP（长时程增强）的易化，而海马神经元的LTP是实现长时记忆的主要方式[16]。AD患者的海马与全脑链接下降（且左侧海马更著）,且下降程度与认知损害的程度呈正相关[3]，此与AD海马体积变小是相辅相成。AD患者双侧海马-丘脑连接纤维的完整性均较正常对照者受损[17]，此势必影响感觉记忆，而丘脑尚在信息（包括感觉信息、记忆内容）的整合、综合中有重要作用[15]。

2 解释AD临床表现的病理学改变——AD病理的“定性诊断”

2.1 能量代谢功能的增龄性下降

85 岁以上的老人中几乎一半患有不同程度的AD[1,2]；AD如此高的发病率客观上提示：AD是介于生理性轻度记忆障碍与病理性痴呆（如血管性痴呆）之间的一种疾病；而生理性记忆障碍应首先考虑老年神经元及神经胶质细胞线粒体有氧呼吸功能衰退（包括生理性轻度缺血缺氧所致），而AD则很可能是在此基础上的严重化。线粒体是对衰老、对毒物最敏感的细胞器，其功能障碍则可能与线粒体DNA（缺乏组蛋白保护及基因修复功能）及调节线粒体的核基因[18]的突变有关，而老年人由于细胞ATP能源不足而使基因修复功能减退（此也是肿瘤多发的原因），已经发现的帕金森病患者（也多为老年人）基因修复功能下降[19]也佐证了这一点。

老年人线粒体呼吸功能下降及磷酸肌酸储备减少，必将激活乳酸脱氢酶，糖酵解增强，乳酸浓度增高。此可进一步损伤线粒体，而且可通过自由基持续损伤DNA（包括线粒体DNA）及细胞的膜系[20]，而线粒体的损伤则进一步增强糖酵解，如此形成恶性循环。因此推测，AD患者的血乳酸很可能是增高的。对24～72 岁成年人皮肤成纤维细胞、血液和诱导多能干细胞中线粒体DNA突变的研究发现，其突变的频率随着年龄的增长而增加，许多突变为非同义突变或存在于RNA编码基因中，可导致有氧呼吸功能缺陷[21]；有研究报道大鼠海马神经元中线粒体结构亦随增龄发生显著性变化[22]，此提示线粒体DNA及调节线粒体的核基因的变异可能随年龄增加，因此AD类似于慢性、轻型线粒体脑/肌病。

与AD相关的载脂蛋白E基因突变也存在于缺血性脑病患者[23]，其为AD与血管性痴呆架起了一个桥梁（但脑卒中后痴呆[23]应该首先考虑血管性痴呆而非AD）。哺乳动物大脑皮层中神经信号的传递是一个代价昂贵的能量支出过程, 而神经信号的传递是与能量的代谢紧密地耦合在一起[24]，海马缺血缺氧后腺苷受体的增加，尽管对神经元有保护作用[6]，但其抑制兴奋性神经递质如乙酰胆碱、去甲肾上腺素和多巴胺的释放，势必会影响记忆等认知功能，其中腺苷A1 受体和谷氨酸NMDA 受体在脑内有相似的分布,在缺血后抑制谷氨酸及天冬氨酸释放[6]，势必影响海马LTP与长时记忆；实验已发现，老年大鼠脑缺血再灌注后线粒体数目减少且明显肿胀，线粒体峙的减少或断裂直接阻碍了氧化磷酸化[25]。

而糖尿病脑病[26]及创伤性颅内血肿[27,28]的脑缺血缺氧患者均出现了AD的过度磷酸化之Tau蛋白则进一步佐证了AD的上述能量代谢减退。

2.2 神经元轴突的神经原纤维缠结应是AD最重要的病理改变

AD的神经原纤维缠结(NFT)由过度磷酸化的Tau蛋白（即其磷酸化的氨基酸残基增多）组成，多见于较大的神经元，尤以海马、杏仁核、颞叶内侧、额叶皮质的锥体细胞最为多见[29]，AD的特征性病理改变是神经原纤维缠结和β-淀粉样蛋白（Aβ）组成的老年斑，那么，怎样解释AD的认知功能损害呢？已知帕金森病痴呆患者血清磷酸化tau 水平与其认知功能障碍程度存在正相关，且随着血清磷酸化tau 水平的不断升高，患者认知功能障碍程度也越高[30]；在MPTP（1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶）诱导的小鼠帕金森病模型的认知障碍者，也发现过度磷酸化的Tau蛋白累及海马等部位[31]。Shekhar 等[32]发现认知障碍患者Tau 蛋白及磷酸化Tau 蛋白水平均显著高于健康对照组；近年还发现tau 蛋白异常堆积与颅脑损伤和慢性创伤性脑病[28]的认知障碍有关联性[27]；另有研究表明“原发性年龄相关性tau蛋白病(PART)”可表现为渐进的记忆等认知下降[33]；而已经发现糖尿病脑病组的P-tau（抗ser199/202磷酸化位点的tau蛋白）在海马和皮层中的表达明显均高于健康对照组，而tau-5（总tau）水平只在海马中的表达明显高于健康对照组[26]；然而，并未在糖尿病组观察到明显的老年斑和Aβ42的过表达[26]。

糖尿病因2,3-二磷酸甘油醋减少而血红蛋白氧饱和度下降,组织易出现缺氧状态,加之丙酮酸脱氢酶活性下降[34]，导致脑等器官缺氧、线粒体有氧呼吸障碍、糖酵解增多，因此，糖尿病脑病、慢性创伤性脑病等的过度磷酸化的Tau是缺氧缺血/能量代谢障碍导致AD的有力证据。也不难推测，糖尿病、高脂血症及肺部疾病等均增高AD的发病风险。

上述几种非AD的Tau蛋白病的共同症状是记忆等认知障碍，其均无Aβ明显增多，而AD患者脑内NFT的数量与其临床痴呆程度呈正相关[27]。因此推测，过度磷酸化的Tau组成的NFT应是AD最重要的基础性病理改变，比Aβ及其老年斑更为重要：Aβ可通过外泌体排泄，其老年斑位于脑细胞外，难以形成对具有顺应性的脑细胞的占位压迫效应；另一方面，很早就发现Aβ可加重NFT的病变[35]，此可解释没有Aβ病变的帕金森病痴呆一般发病较晚。但尚未发现过度磷酸化的Tau加重Aβ病变的证据，也就是说，二者尚未形成恶性循环，此符合AD相对慢性的进程。曾有研究发现，Aβ作用下的海马神经元细胞突触和树突棘数量减少，但抑制神经元内Tau蛋白磷酸化，能阻断Aβ这种毒性作用[36]。而近十年来国际上的AD新药大部分是针对Aβ的，但都失败了；在没有新证据之前，不建议继续研制针对Aβ的新药。

2.3 关于NFT的Tau蛋白双螺旋丝的形成机制

细胞骨架由微管、微丝及中间丝构成；微管是细胞骨架中最粗的纤维丝,是细胞内囊泡、溶酶体、线粒体和蛋白质交通运输的轨道[37]；Tau 蛋白是神经细胞中含量最高的微管蛋白[38]，主要分布在中枢和外周神经的神经元轴突内[39]，其通过与微管蛋白结合形成轴突的基本结构，维持神经元胞体与轴突间的物质转运[38]，研究显示，tau 蛋白具有磷酸基，而过度磷酸化会极大程度上降低tau 蛋白与微管蛋白的结合力，从而使得受累神经元的微管结构稳定性降低，轴突转运出现异常，并使得突触丢失[40]。AD患者的海马与全脑链接下降[3]，正是其宏观表现；NFT所致的轴突梗阻完全可解释AD严重的记忆障碍。

NFT的主要成分是两个过度磷酸化的Tau蛋白组成的不溶性的双螺旋纤维丝 ( P H F )，且后者对抗蛋白酶水解[29,41]。那么，双螺旋纤维丝为什么抗蛋白酶水解呢？显然是因其不溶性，而其不溶性，笔者初步推测，可能是tau蛋白的N端（亲水基团）与另一个Tau的C端（亲水基团）中和/脱水后，失去亲水基团而形成不亲水的肽键，即形成闭合型/环化的Tau二聚体[42]，这种中和反应不仅不需要能量，而且还是个释放能量的反应；推测其双螺旋结构之所以能够形成，应该与Tau蛋白的过度磷酸化有关（DNA双螺旋应该也与磷酸基有密切关系）。此外，脑细胞内尚可能存在环化的γ-氨基-丁酸甚至氨基丁酸环化酶[42]以调节抑制性神经递质的浓度。但这些均有待进一步研究证实或证伪。

Tau蛋白的基因突变也是NFT的促进因素，早有实验研究发现Aβ不作用于野生型Tau而仅促进基因突变的Tau病变[35]，而Ser422 位点突变显著提高tau蛋白之间的聚集倾向[27]。国外提出的顺式p-tau 蛋白抗体[43]治疗AD，其即使能透过血脑屏障、并能进入神经元内，能否与不溶性的NFT结合仍然是个问题。

而从宏观上看，不溶性的Tau双螺旋丝和Aβ均是较其野生型的化学性质更稳定、化学活性更低的分子，按照量子力学中的波动力学的创始人薛定谔在《生命是什么》中提出的生命是负熵的观点，Tau双螺旋丝和Aβ都是熵增加的产物，而维持负熵需要的是细胞ATP能量的支撑。因此，改善AD的能量代谢应可以降低双螺旋丝和Aβ的产生。泛素蛋白酶体系统（UPS）和自噬溶酶体系统（ALP）是细胞内最重要的两个清除异常折叠或老化的蛋白质的机制，其在AD患者等老年人的退行性同样可能与细胞能量代谢有密切关系。

腺苷酸环化酶及其催化产生的第二信使环腺苷酸（cAMP）在学习记忆中有重要作用[44]，而杏仁核参与情绪学习的机制与cAMP依赖激酶（PKA）及其参与的LTP、触突改变和蛋白质合成有关[16]，因此推测PKA（蛋白激酶A）功能异常与Tau蛋白的过度磷酸化也应是相辅相成的。而甲状腺素（增加机体基础代谢率）是通过心肌等机体细胞的腺苷酸环化酶发生作用的[45]，因此推测，衰老因素使机体对甲状腺素的敏感度下降可能导致能量代谢下降、腺苷酸环化酶及PKA功能下降，从而促进Tau的过度磷酸化。

国外对一组344例60岁以上相对健康的老年人的研究发现，有10例甲状腺功能减退（甲减），12例亚临床性甲减；其女性多于男性。另外尚有14 % 的老年人存在亚临床性甲减之倾向，其结论是老年人中甲减的发生率比设想的要高，并已被其他作者的研究所证实[46]；华西医院[47]调查了11976例（男性7488例，女性4488例）健康体检者，共发现亚临床性甲减1820例（15.20%），其中男性患病率11.81%，女性患病率高达20.86%；60 岁以上人群的亚甲减患病率均高于其他年龄组。此客观上与AD的年龄、性别发布类似，提示部分“AD”患者不排除（亚临床性）甲减，而甲减患者也可存在记忆等认知障碍和海马体积减小[48]，因此诊断AD需除外甲减。而甲减是否也存在Tau过度磷酸化？亚临床性甲减是否是AD发病因素之一？AD是否导致中枢性甲减？——亦值得研究。

3 关于该病治疗的探索

3.1 甲状腺素[20,49,50]

甲状腺素是调节神经系统发育的最重要的激素，理论上可促进神经干细胞分化而修复神经病变，其加强线粒体有氧呼吸；且可降低血脂[51]，理论上可用于AD治疗，代偿AD患者对甲状腺素的敏感度之下降（即海马等的神经细胞甲状腺素受体包括细胞核受体表达减少）；以小剂量（起始剂量12.5微克即左甲状腺素钠四分之一片，每两日一次,晨服）维持静息心率在75～92次/分，同时补钾及维生素B1并以雷尼替丁预防胃溃疡。笔者2018年以此治疗一例77岁AD中期男性患者，不到一个月认知功能即获明显好转。甲状腺素在其它Tau蛋白病、颅脑创伤/脑卒中后遗症暨持续性植物状态（植物人）、肿瘤、脑瘫、Pick病、肌萎缩侧索硬化（ALS）、进行性核上性麻痹、皮质基底节变性等神经系变性疾病等亦有潜在的治疗价值[20,50]。

尚未见笔者之外的文献提出上述治疗。

3.2 磷酸肌酸[49]

磷酸肌酸钠作为高能磷酸化合物，可在剧烈运动时为骨骼肌、心肌和脑提供应急能量，在线粒体呼吸控制中起重要作用。因此其可改善AD脑细胞能量不足状态，且安全性好。该药在冠心病、线粒体脑/肌病、ALS，卒中等均有潜在的辅助治疗价值；对ALS，2016年我们提出以重组脊髓灰质炎病毒为载体的转基因治疗[18]。

3.3 粒细胞集落刺激因子[49]

间充质干细胞来源的外泌体有望成为是AD 治疗的新工具[52]，但以粒细胞集落刺激因子（G-CSF）动员造血干细胞则更为方便；而且，已经发现，G-CSF很可能有直接的脑保护作用[53]，因此我们认为其理论上可用于AD治疗。

3.4 增加氧供给

充足的氧气供应无疑有利于AD患者的线粒体恢复有氧呼吸功能，此对AD和脑脊髓创伤/脑卒中后遗症暨持续性植物状态的治疗非常重要！也有报道[54]高压氧对AD有效，但AD等是相对慢性病，持续的低流量吸氧或许更为适宜，而以复方茶碱麻黄碱片（每晨、中午各1～2片,60公斤体重）与尼莫地平（抵消麻黄碱的升压作用）合用、或者以氨茶碱（每晨一次）与β2受体激活剂特布他林合用增加“肺活量”则更为方便，必要性时应用阿米三嗪（“都可喜”的主要成份）;服用少量食醋或补充抗坏血酸（维生素C）可预防药物性碱中毒。特布他林及氨茶碱亦可用于预防AD。